Teoria relativității - ce este? Postulate ale teoriei relativității. Timp și spațiu în teoria relativității

Încă de la începutul secolului al XX-lea, a fost formulată teoria relativității. Ce este și cine este creatorul ei, știe astăzi fiecare elev școlar. Este atat de fascinant faptul ca chiar si oamenii care sunt departe de stiinta sunt interesati de aceasta. În acest articol, limbajul disponibil descrie teoria relativității: ce este, ce sunt postulatele și aplicarea ei.

Ei spun că epifania a venit la Albert Einstein, creatorul ei, într-o clipă. Omul de știință ar fi călătorit cu un tramvai în Bern Bern. Se uită la ceasul de la stradă și își dădu seama brusc că acest ceas se va opri dacă tramvaiul se accelera la viteza luminii. În acest caz, timpul nu ar fi. Timpul în teoria relativității joacă un rol foarte important. Unul dintre postulatele formulate de Einstein este că observatorii diferit percep realitatea în moduri diferite. Acest lucru se aplică în special timpului și distanței.

Contabilizarea poziției observatorului

În acea zi, Albert a realizat că, în limbajul științei, descrierea oricărui fenomen sau eveniment fizic depinde de cadrul în care se află observatorul. De exemplu, dacă un pasager de tramvai își aruncă ochelarii, ei vor cădea vertical spre ea. Dacă privim din punctul de vedere al unui pieton care stă pe stradă, traiectoria căderii lor va corespunde parabolei, pe măsură ce se deplasează tramvaiul și în același timp ochelarii se prăbușesc. Astfel, fiecare are propriul cadru de referință. Propunem să analizăm în detaliu postulatele fundamentale ale teoriei relativității.

Legea mișcării distribuite și principiul relativității

În ciuda faptului că la schimbarea sistemelor de referință se schimbă descrierea evenimentelor, există lucruri universale care rămân neschimbate. Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să ne întrebăm nu căderea ochelarilor, ci legea naturii care provoacă această cădere. Pentru orice observator, indiferent dacă se află într-un sistem de coordonate în mișcare sau fix, răspunsul la acesta rămâne neschimbat. Această lege se numește legea mișcării distribuite. Acționează în mod egal în tramvai și pe stradă. Cu alte cuvinte, dacă descrierea evenimentelor depinde mereu de cine le respectă, atunci aceasta nu se aplică legilor naturii. Acestea sunt, așa cum se spune în limba științifică, invariabile. Acesta este principiul relativității.

Două teorii ale lui Einstein

Acest principiu, ca orice altă ipoteză, a trebuit să fie verificat mai întâi, prin legarea sa cu fenomenele naturale care funcționau în realitatea noastră. Einstein a dedus 2 teorii din principiul relativității. Deși sunt legate, ele sunt considerate separate.

Teoria relativității private sau speciale (SRT), se bazează pe premisa că, pentru toate tipurile de sisteme de referință, care sunt o viteză constantă, legile naturii sunt aceleași. Teoria generală a relativității (GTR) extinde acest principiu la orice cadru de referință, inclusiv pe cele care se mișcă cu accelerație. În 1905, A. Einstein a publicat prima teorie. Al doilea, mai complex în ceea ce privește aparatul matematic, finalizat până în 1916. Crearea teoriei relativității, SRT și TRB, a fost un pas important în dezvoltarea fizicii. Să ne ocupăm mai mult de fiecare dintre ele.

Teoria specială a relativității

Care este esența ei? Să răspundem la această întrebare. Această teorie prezice multe efecte paradoxale care contrazic noțiunile noastre intuitive despre cum funcționează lumea. Acestea sunt efecte care se observă când se apropie viteza mișcării viteza luminii. Cea mai faimoasă dintre ele este efectul încetinirii timpului (cursul orelor). Orele care se mișcă în raport cu observatorul, pentru el sunt mai lent decât cele care sunt în mâinile lui.

In sistemul de coordonate se deplasează la o viteză apropiată de viteza luminii, fiind întinsă în raport cu observatorul, iar lungimea obiectelor (extindere spațială), în contrast, este comprimat pe direcția axei acestei mișcări. Acest efect de oameni de știință numesc contracția Lorentz-Fitzgerald. Înapoi în 1889, a fost descris de George Fitzgerald, fizician italian. Și în 1892, Hendrik Lorentz, un olandez, la completat. Acest efect se explică rezultatul negativ, care dă experimentul Michelson-Morley, în care viteza planetei în spațiul exterior se determină prin măsurarea „vântul Aether“. Acestea sunt postulatele de bază ale teoriei relativității (speciale). Einstein le-a completat a ecuației prin formula transformarea masei, făcută prin analogie. Potrivit ei, pe masura ce viteza corpului se apropie de viteza luminii, creste greutatea corpului. De exemplu, în cazul în care viteza este 260K. Km / s, adică 87% din viteza luminii, din punctul de vedere al unui observator care se află în cadru de referință staționar, pentru a dubla masa obiectului.

Confirmările SRT

Toate aceste dispoziții, indiferent de modul în care acestea contravin simțului comun, din vremea lui Einstein sunt confirmate în mod direct și pe deplin într-o varietate de experimente. Una dintre ele a fost condusă de oameni de știință de la Universitatea din Michigan. Această experiență curioasă confirmă teoria relativității în fizică. Cercetătorii au plasat la bord un avion, care făcea în mod regulat zboruri transatlantice, ceas atomic. De fiecare dată când sa întors la aeroport, mărturia acestui ceas a fost verificată împotriva controlului. Sa dovedit că ceasul din avion de fiecare dată din ce în ce mai mult a rămas în spatele controlului. Desigur, a fost doar o chestiune de cifre minore, fracțiuni de secundă, dar însăși faptul este foarte revelator.

În ultimii jumătăți de secol, cercetătorii studiază particule elementare pe acceleratoare - complexe hardware imense. În ele, fascicule de electroni sau protoni, adică particule subatomice încărcate, sunt accelerate până la apropierea vitezelor viteza luminii. După aceea, ei trag obiective nucleare. In aceste teste, trebuie să ia în considerare faptul că masa de particule crește, în caz contrar rezultatele experimentului nu poate fi interpretat. În acest sens, SRT a fost mult timp o simplă teorie ipotetică. Acesta a devenit unul dintre instrumentele care sunt folosite în inginerie aplicată, împreună cu legile mecanicii lui Newton. Principiile teoriei relativității au găsit o mare aplicație practică în zilele noastre.

Legile SRT și Newton

Vorbind despre Legile lui Newton (Portret de știință prezentat mai sus), trebuie remarcat faptul că teoria specială a relativității, care le contrazice aparent, reproduce de fapt ecuațiile legilor lui Newton aproape exact, în cazul în care este folosit pentru a descrie corpurile, viteza este mult mai mică decât viteza luminii. Cu alte cuvinte, dacă utilizați relativității speciale, fizica lui Newton nu este anulat. Această teorie, în contrast, completează și extinde-l.

Viteza luminii este o constantă universală

Folosind principiul relativității, se poate înțelege de ce în acest model al structurii lumii un rol foarte important îl joacă viteza luminii și nu altceva. Această întrebare este pusă de cei care abia încep să se familiarizeze cu fizica. Viteza luminii este o constantă universală datorită faptului că este definită ca atare de legea științifică naturală (pentru mai multe detalii, vezi ecuațiile Maxwell). Viteza luminii într-un vid, în virtutea acțiunii principiului relativității, este aceeași în orice cadru de referință. S-ar putea crede că acest lucru contravine simțului comun. Se pare că atât sursa staționară, cât și lumina în mișcare ajung la observator simultan (indiferent cât de repede se mișcă). Totuși, acest lucru nu este cazul. Viteza luminii, datorită rolului său special, este dat un loc central nu numai în special, dar și în OTO. Vom vorbi și despre asta.

Teoria generală a relativității

Este folosit, așa cum am spus deja, pentru toate cadrele de referință, nu neapărat acelea ale căror viteze de mișcare relativ una față de cealaltă sunt constante. Din punct de vedere matematic, această teorie pare mult mai complicată decât cea specială. Acest lucru explică faptul că au trecut 11 ani între publicațiile lor. GTR include unul special ca caz special. În consecință, legile lui Newton intră și în ea. Cu toate acestea, UTO merge mult mai departe decât predecesorii săi. De exemplu, explică gravitatea într-un mod nou.

A patra dimensiune

Datorită OTO, lumea devine patru-dimensională: timpul este adăugat la trei dimensiuni spațiale. Toate acestea sunt inseparabile, de aceea, este necesar să vorbim nu despre distanța spațială care există în lumea tridimensională între două obiecte. Acum merge la intervale spatio-temporala între diferitele evenimente, unindu-le la distanță atât spațiale și temporale unul față de celălalt. Cu alte cuvinte, timpul și spațiul din teoria relativității sunt privite ca un fel de continuum patru-dimensional. Acesta poate fi definit ca spațiu-timp. Acest continuum de acei observatori care se deplasează în raport cu altele, vor avea opinii diferite, chiar și cu privire la oricare două evenimente, sau unul dintre ei dacă nu au fost atât precedata de o alta. Cu toate acestea, relația cauzală nu este încălcată. Cu alte cuvinte, existența unui astfel de sistem de coordonate, în cazul în care două evenimente au loc în diferite secvențe și, în același timp, nu permite nici o GR.

OTO și legea gravitației universale

Conform legii gravitației universale descoperită de Newton, forța atracției reciproce există în Univers între oricare două corpuri. Pământul din această poziție se rotește în jurul Soarelui, deoarece între ele există forțe de atracție reciprocă. Cu toate acestea, OTO ne obligă să privim acest fenomen din cealaltă parte. Gravitația, conform acestei teorii, este o consecință a "curbei" (deformării) spațiului-timp, observată sub influența masei. Corpul este mai greu (în exemplul nostru, Soarele), cu atât mai mult spațiu-timp "se înclină" sub el. În consecință, câmpul său gravitațional este mai puternic.

Pentru a înțelege mai bine esența teoriei relativității, să facem o comparație. Terenul, conform relativității generale, se învârte în jurul soarelui, ca o minge mica, care se rostogolește în jurul craterul conului, format ca rezultat al „forțând“ soarele spațiu-timp. Și ceea ce credem noi forța de gravitație, este de fapt o manifestare exterioară a acestei curburi, și nu forță, în înțelegerea lui Newton. Cea mai bună explicație pentru fenomenul de gravitate decât cea propusă în UTO nu a fost găsită până în prezent.

Metode de testare a GRT

Trebuie remarcat faptul că GRT este dificil de verificat, deoarece rezultatele sale în condiții de laborator corespund aproape cu legea gravitației universale. Totuși, oamenii de știință au efectuat în continuare o serie de experimente importante. Rezultatele lor ne permit să concluzionăm că teoria lui Einstein este confirmată. GTR, în plus, ajută la explicarea diferitelor fenomene observate în spațiu. Aceasta, de exemplu, mici devieri ale Mercurului de pe orbita sa staționară. Din punct de vedere al mecanicii clasice newtoniene, ele nu pot fi explicate. Acesta este și motivul pentru care radiația electromagnetică care emană de la stele îndepărtate este deformată când trece lângă Soare.

Rezultatele prezise de relativitatea generală, de fapt, diferă în mod substanțial de cele care dau legile lui Newton (portretul este prezentat mai sus), numai în cazul în care există câmpuri gravitaționale superputernici. Prin urmare, pentru a finaliza verificarea relativității generale necesită fie măsurători foarte precise ale masei mari de obiecte, sau o gaură neagră, pentru că reprezentările noastre obișnuite în raport cu acestea inaplicabile. De aceea, dezvoltarea de metode experimentale de testare a acestei teorii este una din sarcinile principale ale fizicii experimentale moderne.

Mințile multor oameni de știință și chiar oameni departe de știință sunt ocupați de teoria relativității, creată de Einstein. Ce este, am spus pe scurt. Această teorie ne transformă noțiunile obișnuite despre lume, astfel încât interesul pentru ea nu este încă stins.